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淮河与秦岭山脉是我国南北方气候的一条自然分界线，淮河以北属暖温带半湿润季风气候区，淮河以南属北亚热带湿润季风气候区。淮河流域以其所处的地理位置，自北往南形成了暖温带向北亚热带过渡的气候类型。淮河流域的气候特点是四季分明，受东亚季风影响，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季天气多变，秋季天高气爽。据统计，淮河流域春季开始日为3月26日前后，夏季开始日为5月26日前后，秋季开始日为9月15日前后，冬季开始日为11月11日前后。
淮河流域的多年平均气温为14.5℃，最高气温月份（7月）的多年平均气温为27℃左右，最低气温月份（1月）的多年平均气温为0℃左右。流域的极端最高气温为44.5℃ （1966年6月20日河南省汝州市），极端最低气温为-24.3℃ （1969年2月6日安徽省固镇县）。
淮河流域的相对湿度较大，多年平均值为66%～81%。相对湿度的地域分布是南大北小、东大西小；时间分布是夏季、秋季、春季、冬季依次减小，夏季的相对湿度一般超过80%，冬季的相对湿度约为65%。
流域的无霜期为200～240天，年日照时数为1990～2650小时。
由于淮河是我国南北气候的过渡带，其气候具有特殊性，从北亚热带湿润季风气候到暖温带半湿润季风气候过渡区存在南北移动和年际变化，过渡带50年来缓慢向北扩展。过渡带气候的脆弱性导致气候变化幅度加大，天气气候变化激烈，极端天气事件和异常气候事件发生的概率增大，旱涝的年际、年内变化大，旱涝交替频率高。淮河流域特殊气候特点如下：
（1）雨季长。淮河流域位于长江流域与黄河流域之间，是长江梅雨向华北雨季的过渡区域，也是湿润季风区向半湿润季风区的过渡带。淮河的南部是江淮梅雨的北缘，北部及沂沭泗地区又是华北雨季的南缘，因此，从时间上讲，淮河的雨季从6月中下旬开始，可持续到9月上旬，江淮梅雨、华北雨季以及夏季台风都影响到淮河流域的降雨，所以淮河流域的雨季特别长。
（2）过渡带分界线位置与夏季降水量关系密切。对江淮流域夏季降水的经验正交函数（EOF）分析表明，淮河流域南北气候过渡带分界线的位置与夏季降水量呈明显的负相关，过渡带位置的南北变动与淮河流域的夏季降水强弱密切相关，过渡带向北移动，夏季降水量减少；过渡带向南移动，淮河流域降水会增多。但在淮河流域以北的黄河流域和以南的长江流域，这种相关并不明显。从东亚季风分析，夏季季风偏强、冷空气偏弱时，雨带位置偏北（华北）；季风偏弱、冷空气偏强时，雨带位置偏南。20世纪50年代以来，淮河流域气候过渡带北界逐渐北移，特别是20世纪90年代以后北移显著。
（3）气候态不稳定，易变性大。淮河流域气候变化幅度大，灾害性天气气候发生频率高，淮河流域的降水区域特征与长江流域和黄河流域的相比有显著的差异。通过比较淮河、长江和黄河流域全年及汛期的降水相对变率可以看到，无论是年降水量还是夏季降水量，淮河流域的降水变率都是最大的，表明过渡带气候存在不稳定性，容易出现旱涝。特别是进入21世纪以来的前10年，淮河流域夏季频繁出现洪涝，成为越来越严重的气候脆弱区。
（4）夏季降水存在3种主要空间分布型。淮河流域夏季降水主要有流域性多雨型、南部或北部多雨型、西部或东部多雨型3种空间分布型，其中，第一种、第二种雨型比较常见。因此，淮河流域大涝年份通常有两种空间类型，即流域性大涝型和中南部大涝型，其共同特点是沿淮、淮南一带的降水尤其多。上述雨型主要与梅雨降水有关系，而第三种雨型又与台风关系较大。
（5）年降水量变化率大，年内降水分布不均。淮河流域多年平均年降水量相对变率为0.16～0.27，南部总体大于北部，降水量年际波动的大小在流域的不同区域也存在显著差异，降水量年际变化率大是导致旱涝的直接原因。
由于淮河处在东亚季风区内，降雨的年内时空分布极不平均，从淮河流域各月平均降水量及其所占全年的比例看，淮河流域降水各月分配呈单峰型：7月最多，占全年的比例为23%；8月次之，反映了季风雨带由南往北推的特点；12月最少。
从各季来看，夏季降水最多，占全年降水总量的54%；春季、秋季次之，各占全年降水总量的近20%；冬季最少，只占全年降水总量的7%。其中5—9月降水占全年降水总量的72%，是年降水的主要组成部分。降水量的这种分布也决定了淮河流域主要洪水的年内分布形式。
（6）“旱涝急转”和“旱涝交替”特征明显。淮河流域雨季不仅有明显的年际变化特点，而且有显著的年内变化特点，“旱涝急转”或“旱涝交替”的情况时常发生。淮河流域的“旱涝急转”特征通常出现在6月中下旬，与梅雨起始日期基本相同或略偏晚。一般年份，春季至初夏，流域无持续性明显降水，旱情抬头；雨季来临时，若出现集中强降水，则极易从干旱转为洪涝。有的年份（如1991年），在洪涝结束后又连续1～3个月无明显降水过程，导致涝后旱，出现典型的“旱涝交替”。